氧化锆桩核修复上颌尖牙的三维有限元研究

发布时间：2020-05-29 17:23

【摘要】：研究背景桩核冠是临床上常见的修复方式,当牙体组织因龋坏、外伤、磨损、过度预备等原因导致大面积缺损,无法为全冠提供足够的固位力时,桩核冠则是一种必要的修复手段。金属桩曾经是临床应用最为广泛的桩核系统,但随着人们对美观要求的不断提高,这种桩核系统已不能满足患者需求。纤维桩作为金属桩核的替代,较大程度的改善了美观效果。然而在临床使用中,纤维桩也存在一些不可避免的缺点：如挠曲强度低,受到较大(?)力时容易产生桩的折断,在口内环境中强度降低,桩核直径小,较难适应根管较为粗大的上颌前牙等因素均限制了纤维桩的使用。牙科氧化锆陶瓷自面世以来,一直受到口腔医生和学者们的广泛关注。氧化锆陶瓷不仅具有优越的美观效果、良好的生物安全性、较低的热传导率,而且氧化锆晶粒相变后的体积膨胀及其产生的应力可以对抗微裂纹尖端的应力,产生增韧作用,从而具有较高的机械强度。1995年Meyenberg已首次将氧化锆陶瓷应用于桩核材料中,早期应用于临床的多为氧化锆预成桩。由于预成桩的直径有限,应用于根管粗大的上颌尖牙时较难达到理想的封闭效果,桩与核之间的结合问题也会增加桩核修复失败的风险。随着科技的发展,采用计算机辅助设计/计算机辅助制作(CAD/CAM)技术制作的一段式氧化锆桩核面世,这种桩核系统是通过扫描、切削、烧结形成强度较高的钇稳定四方晶氧化锆多晶体(Y-TZP),具有更高的机械性能,与根管的密合性更好,制作更为简便,亦可避免桩与核分离所导致的修复失败。然而氧化锆弹性模量与金属相当,受到较大应力时,有可能导致牙根折断。上颌尖牙位于牙弓转折处,更容易受到较大的(?)力,对修复的要求较高,氧化锆桩核是否适用于这类牙齿尚需进一步的研究。研究目的本研究采用三维有限元(以下简称为3D FE)分析的方法,通过建立一段式氧化锆桩核修复的上颌尖牙模型,分析不同的桩核材料,不同的牙本质肩领高度以及不同的桩核形态(长度和直径)对上颌尖牙牙体组织应力分布的影响,拟为临床工作提供参考依据。材料与方法第一部分 1.标本原始数据获得：选择一颗完好无明显磨损的上领尖牙,测量尺寸处于中国人恒牙牙体测量正常值范围。将样本用环氧树脂包埋固定后,置于3DXMulti-Image Micro CT检查床上进行扫描,将所获235张冠根向截面图直接输入Mimics中建立上颌尖牙的实体模型。并将初步模型输入Freeform软件中进行表面光滑处理。 2.有限元模型建立：将所建实体模型输入ANSYS软件中,沿釉牙骨质界上2.0mm分割模型,形成上颌尖牙模型,并根据临床备牙标准,分别建立全瓷冠、桩核、牙本质结构。牙槽骨则简化为一立方体,位于釉牙骨质界。将各部分结构装配在一起后,形成一体化模型。采用ANASY中的自适应网格划分程序,根据模型的不同部位,合理设置网格密度,对各部分分别进行网格划分。约束牙槽骨底端及近远中侧2/3部分牙槽骨的各方向运动。假设各粘结界面为紧密固着,受力时无相互滑动。 3.模型验证：假设实验中所涉及的生物材料均为各向同性,均质,连续的线弹性材料。模拟临床中上颌尖牙受力情况,施加300N的最大(?)力于牙尖下3mm舌轴嵴处,方向与牙体长轴呈45°角,加载方式为静态荷载。第二部分根据第一部分所建模型,将牙本质肩领高度为2.0mmm的上颌尖牙模型作为本实验基础模型。设计采用临床常用的四种桩核材料作为本实验的研究对象,分别为氧化锆、金合金、钴铬合金和玻璃纤维。观测在最大(?)力下各部位的VonMises应力峰值及分布,检测氧化锆桩核相较于其他三种桩核系统是否更适用于上颌尖牙。第三部分在实验一所建模型基础上,依次沿釉牙骨质界上0.0mmm、1.0mm、2.0mm、3.0mmm处切割模型,形成四种牙本质肩领高度的上颌尖牙残根,采用一段式氧化锆桩核及热压铸玻璃陶瓷全冠修复。加载条件及边界约束同实验一,观察在不同的牙本质肩领高度下,牙根和桩核部位的Von Mises应力峰值及分布,根颈1/3、根中1/3、根尖1/3及桩/牙本质界面处Von Mises应力,实验结果记录为应力分布云纹图。第四部分采用ANSYS软件的前处理模块,在实验一所建模型基础上,直径依次递减0.5mm,长度依次递减1.0mm,形成两种不同直径以及三种桩核长度组合的六组有限元模型,桩核材料设定为氧化锆,全冠材料为热压铸玻璃陶瓷。检测各部位Von Mises应力峰值及分布,比较桩核直径与长度对应力分布的影响。结果 1.建立了氧化锆桩核修复的上颌尖牙精确3D FE模型,包括全瓷冠、桩核、上颌尖牙残根、牙槽骨等结构,共形成40949个节点,35463个单元。 2.分别模拟建立了四种牙本质肩领高度的上颌尖牙模型,以及三种桩核长度和两种直径的六组桩核结构的3D FE模型。 3.牙本质肩领高度为2.0mmm时,氧化锆、钴铬合金这两种桩核材料对上颌尖牙的应力峰值及分布较为接近,均集中于根颈1/3处、牙合面受力区以及桩与牙本质界面。纤维桩与金合金桩核两组的应力分布较接近,主要集中于根颈1/3处和(?)面受力区,桩/牙本质界面处应力集中较少。钴铬合金对牙本质的最大VonMises应力最小,为56.7MPa；纤维桩最大,为59.4MPa。 4.在相同的牙本质肩领高度下,随着桩核材料的不同,Von Mises应力峰值的变化范围：根尖1/3处为31.0MPa～32.1MPa；根中1/3为50.3MPa～52.4MPa,根颈1/3处为56.7MPa～59.4MPa,桩/牙本质界面为36.9MPa～149MPa。变化幅度分别为3.4%、4%、4.8%和75%。其中桩/牙本质界面处应力变化最明显。 5.四种牙本质肩领高度下,牙本质的应力分布：1.0mm组、2.0mm组、3.0mm组的Von Mises应力分布基本相同,应力峰值主要位于舌侧根颈部。3.0mm组对牙本质的最大应力值最小,为55.7MPa；牙本质肩领为0.0mmm组最大,为59.5MPa,应力主要集中于舌侧根中1/3处。 6.四种牙本质肩领高度下,不同牙根截面的应力值随着肩领增加而减小,以根颈1/3处减少最明显,变化幅度为27%。四组模型均可见桩/牙本质界处集中较大应力。随着牙本质肩领不同,桩/牙本质界面处的Von Mises应力峰值分别为：0.0mmm组为174MPa；1.Omm组为154MPa2.0mm组为148MPa;3.0mm组为132MPa,变化幅度为24%。 7.六组不同直径和长度的氧化锆桩核修复后,以桩长12.9mm,直径2.5mm组对牙体组织的Von Mises应力最大,为179MPa,而桩长10.9mmm,直径2.0mmm时,Von Mises应力最小,为161MPa。 8.在相同直径下,不同长度的桩核对牙体组织的应力分布差别不大,均主要集中于根颈1/3处、舌面受力区和桩/牙本质界面。随着桩核长度的减少,各部位所受应力呈减小趋势,其中以桩/牙本质界面处的应力减少最为明显。 9.在相同长度下,随着桩核直径的增加,各部位所受应力呈增加的趋势,Von Mises应力更多集中于根颈1/3。桩/牙本质界面处应力变化范围为148MPa-123MPa,变化幅度为16.9%,较其他部位变化大(4.4%,3.7%,1.7%)。结论 1.结合利用Micro-CT扫描技术、Freeform、Mimics等逆向工程软件建立了严重破坏的上颌尖牙不同桩核修复方式的3D FE模型,模型结构层次清晰、单元划分精细、具有较好的力学和几何学相似性。 2.牙本质肩领高度对牙体组织的受力存在影响,随着牙本质肩领的增加,各部位的Von Mises应力呈减少趋势,桩/牙本质界面处的应力减少明显。牙本质肩领的保留可增加牙体组织的抗力,减少桩核对粘结剂的依赖,延长修复体的使用寿命。临床上进行氧化锆桩核修复时应尽量保留剩余牙体组织,以提高桩核修复的成功率。 3.随着桩核材料弹性模量的降低,牙体组织各部位应力减少,尤其是桩/牙本质界面处的应力减少明显。一段式氧化锆桩核对牙本质的应力大小及分布与钴铬合金相当,应力较多集中于桩/牙本质界面,较少集中于牙本质；而纤维桩对牙本质的应力在四组中最大。提示当上颌尖牙根管粗大,超出预成纤维桩最大直径时,一段式氧化锆桩核则是有效的替代。 4.桩核长度和直径最小时对牙体组织的应力值最小,但在相同直径下,桩长的减少并未明显改变整体模型的应力分布；而随着直径的减少,应力分布更为均匀,应力值也随之减小。对于氧化锆这种弹性模量较高的桩核材料,可适当减少桩核的直径与长度,以避免对牙体组织较大的应力。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R783

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